Conceito de automação de moenda adotado na Usina Trapiche, com uso da velocidade linear ResumoTernos de moendas com acionamentos combinados ou acionamentos individuais nos seus rolos são casos que exigem diferentes abordagens na automação e controle. Nos ternos com acionamentos combinados pela mesma turbina ou motor elétrico a variação da velocidade de cada rolo se dá por igual, sendo sempre a velocidade linear (tangencial) igual para todos, e a velocidade angular diferente entre si proporcionalmente por uma relação (de acordo com a estrutura mecânica dos redutores). Em alguns lugares estes casos estão sendo substituídos por acionamentos individuais dos rolos por motor elétrico, ainda sim se mantendo a velocidade linear (tangencial) igual para todos, e a velocidade angular diferente entre si proporcionalmente (por uma relação). Este artigo mostra um estudo de caso na Usina Trapiche onde foi aplicado o controle pela velocidade linear (tangencial) em rolos acionados individualmente. A utilização da velocidade linear (tangencial) dos rolos, utilizando outras variáveis de processo, é uma solução interessante a fim de se conseguir ótimos rendimentos de moagem e extração de caldo.
IntroduçãoAcionamentos combinados dos rolos de ternos (Figura 1) são facilmente encontrados em usinas de açúcar e etanol no Brasil e no mundo. Usualmente encontram-se acionamentos onde uma mesma turbina (ou motor elétrico) aciona os rolos de dois ternos ao mesmo tempo, ou de um. Em casos mais raros encontra-se um mesmo acionamento para todos os ternos de uma moenda.
Figura 1: Exemplos de acionamentos combinados dos rolos de ternos.
Devido à necessidade de se melhorar a moagem da cana-de-açúcar, algumas usinas têm adotado uma maneira mais completa de controlar a velocidade de cada terno, utilizando acionamento individual de cada rolo do terno. A fim de se manter constante a vazão de cana (em tonelada de cana por hora - tc/h) e a umidade do bagaço no processo de moagem, a Usina Trapiche, localizada no município de Sirinhaém/PE, investiu para eletrificar (acionar eletricamente) sua moenda. Até a safra 2009/2010 a usina possuía uma turbina para cada terno da moenda, ou seja, cada turbina acionava simultaneamente todos os rolos do terno (press-roller, rolo inferior, rolo superior e o rolo de saída). Para a safra 2010/2011 ela implantou motores nos ternos 1, 2 e 5, de modo que cada terno ficou com um motor para o press-roller (socador), outro para o rolo de saída, e manteve a turbina para os rolos inferior e superior (Figura 2). Dessa forma, a automação entrou para controlar esses acionamentos individuais e manter o sincronismo dos rolos de acordo com cálculos matemáticos pré-definidos, adotando-se a velocidade linear (tangencial).
Figura 2: Esboço (vista superior) do acionamento de um terno.
A eletrificação com acionamento individual dos rolos retirou os rodetes que antes eram usados. Os rodetes são uma transmissão de baixa eficiência e rendimento para o acionamento, sendo que sua ausência reduz de 6 a 8% a potência de consumo do terno.
Cálculos matemáticosA Usina Trapiche definiu que o controle dos ternos fosse feito em função da velocidade linear (tangencial) dos rolos, que marca a velocidade de progressão da cana (a quantidade de cana desfibrada de entrada em cada terno de moenda é igual ao bagaço de cana na saída mais o caldo drenado). A opção pela velocidade linear (tangencial) deve-se à possibilidade de aproveitar mais as camisas de moenda compatibilizando as velocidades com os demais rolos já que o acionamento é individual, e obter um valor de umidade constante do bagaço após o esmagamento entre o rolo superior com o rolo de saída, sem a necessidade de gastar mais potência por atrito resultante da diferença dos rolos. Em conjunto com a SMAR, a usina trabalhou na definição dos cálculos matemáticos a serem adotados no projeto. A velocidade do rolo superior, acionado pela turbina, foi tomada como referência para o controle de velocidade dos rolos acionados por motores (press-roller e saída). Baseado nisso, utilizou-se as fórmulas a seguir:
| (1) | 
| (2) |
onde:  - velocidade linear (em m/s)
 - velocidade angular (em rpm)
 - raio (em metros)
 - diâmetro (em metros)
Para o sincronismo de rotação dos rolos foi adotada a seguinte equação:
| (3) |
onde:  - velocidade linear (em m/s) do rolo a considerar (press-roller ou saída)
 - velocidade linear (em m/s) do rolo superior (utilizado como referência)
 - fator para relação da velocidade linear do rolo a considerar, em função do rolo superior
Aplicando-se as fórmulas 1, 2 e 3 chegamos a uma equação dada por:
| (4) |
onde:
 - velocidade angular (em rpm) do rolo a considerar (press-roller ou saída)
 - velocidade angular (em rpm) do rolo superior (utilizado como referência)
 - diâmetro (em metros) do rolo superior (utilizado como referência)
 - diâmetro (em metros) do rolo a considerar (press-roller ou saída)
 - fator para relação da velocidade linear do rolo a considerar, em função do rolo superior
Devido ao redutor presente entre turbina e rolo superior, temos uma relação de redução dada por:
| (5) |
onde:  - velocidade angular (em rpm) do rolo superior (utilizado como referência)
 - velocidade angular (em rpm) da turbina dos rolos superior e inferior
 - relação de redução de rotação do redutor entre turbina e rolo superior
Portanto, temos a seguinte equação final para cada rolo (press-roller e saída):
| (6) |
A velocidade angular da turbina () é adquirida por sensor de rotação em campo, ligado ao módulo de entrada analógica do CLP (uso de conversor de freqüência para 4~20mA); a relação de redução de rotação do redutor entre turbina e rolo superior (), o diâmetro do rolo superior () e o diâmetro do rolo a considerar
() são valores fixos de acordo com as características construtivas dos equipamentos (valores inseridos pelo operador da moenda via supervisório); o fator para relação () é definido pela usina de modo que proporcione a velocidade desejada para cada rolo (valor inserido pelo operador da moenda via supervisório).
Para se chegar aos valores ideais de e a rotação ideal das turbinas, diversos cálculos matemáticos e simulações foram feitos e analisados baseando-se na relação de redução de redutores, número de dentes de pinhão e volandeira, entre outros (Figura 3).
Figura 3: Simulação da rotação dos rolos de moenda dos ternos que têm o acionamento elétrico no press roller e saída.
Controlador Lógico ProgramávelUm Controlador Lógico Programável (CLP) é o controlador indicado para lidar com sistemas caracterizados por eventos discretos, ou seja, com processos em que as variáveis assumem valores zero ou um (ou variáveis ditas digitais). Podem ainda lidar com variáveis analógicas definidas por intervalos de valores de corrente ou tensão elétrica. As entradas e/ou saídas digitais são os elementos discretos, as entradas e/ou saídas analógicas são os elementos variáveis entre valores conhecidos de tensão ou corrente. A automação da moenda da Usina Trapiche é existente desde 2007, implantada pela SMAR com o controlador lógico programável LC700 (Figura 4), utilizando-se de sinais analógicos (entradas e saídas 4~20mA) e sinais digitais. Para o investimento de eletrificação da moenda foi mantido o LC700, com aumento de seu hardware por módulos de E/S, racks e acessórios. O LC700 é aplicável em diversas instalações simples e complexas e em uma vasta gama de indústrias. Por ser um Controlador Lógico Programável, o LC700 foi projetado para incorporar as tradicionais funções discretas de automação de manufatura, tarefas de automação, controle de processo regulatório contínuo e controle por batelada. A plataforma de hardware do LC700, com uma vasta gama de módulos de E/S, combinada com um grande conjunto de blocos de função programáveis e elementos lógicos, tornam-no altamente versátil.
Figura 4: LC700 da SMAR.
Para uma aplicação complexa como a eletrificação da moenda da Usina Trapiche, o LC700 atendeu ao processo de maneira satisfatória, operando as lógicas de controle (Figura 5) conforme a simulação dos cálculos matemáticos, em planilha (Figura 6).
Figura 5: Parte da lógica ladder do LC700 da SMAR na automação da moenda da Usina Trapiche (software CONF700).
Figura 6: Simulação dos cálculos matemáticos de relação de velocidade entre os rolos dos ternos.
SYSTEM302A Usina Trapiche implantou o protocolo Profibus DP para os motores de acionamento dos rolos dos ternos 1, 2 e 5, além de fazer aquisição de status diversos na Casa de Força, com uma remota Profibus DP. A pretensão futura da usina é que todos os ternos estejam eletrificados e controlados pela rede Profibus DP. Em paralelo com o LC700, a SMAR implementou o controlador mestre Profibus DF73 (Figura 7), que fez aquisição de informações dos motores (Figura 8) e dos cubículos (Figura 9) pela rede.
Figura 7: Mestre Profibus DF73 - SMAR.
Figura 8: Popup do supervisório para o CFW11 do rolo de saída do 1° terno, com indicações do inversor de freqüência adquiridas pela rede Profibus DP.
Figura 9: Unifilares dos cubículos dos ternos para acionamento dos motores.
Esse sistema foi configurado pelo SYSTEM302, onde, em um único ambiente, há softwares para elaboração de estratégias de controle de processos (Syscon), estratégias de controle utilizando lógica ladder (Logic View), além de softwares para gerenciamento de ativos (Asset View), gestão das informações da planta (Equipment Database), entre outros. O SYSTEM302 é voltado para a convergência de tecnologias de automação e informação, resultando em uma arquitetura robusta, segura e integrada (Figura 10).
Figura 10: Arquitetura da rede Profibus DP na Usina Trapiche.
Sistema de supervisão e controleO Indusoft Web Studio é uma poderosa coleção de ferramentas de automação que possibilita o desenvolvimento de aplicações IHM, SCADA, para sistemas embedded, e para sistemas de instrumentação. Desde 2007, na automação implantada pela SMAR na moenda da Usina Trapiche, o software supervisório é o Indusoft Web Studio, que comunica com o LC700 pelo protocolo aberto OPC (OLE for Process Control). A estação de operação possibilita aos operadores da moenda supervisionar e comandar a planta através de telas de sinóptico, sintonia de malhas de controle, alarmes, históricos, liga/desliga motores, entre outros (Figuras 11, 12, 13 e 14). A eletrificação da moenda foi implementada no supervisório com telas de sinóptico e comandos simples e amigáveis (Figuras 15 e 16).
Figura 11: Tela do preparo de cana e dos ternos da moenda da Usina Trapiche.
Figura 12: Tela de sintonia de malha de controle.
Figura 13: Tela de alarmes.
Figura 14: Tela de acionamento de motores.
Figura 15: Tela dos acionamentos do 1° terno.
Figura 16: Tela com as variáveis e comandos de controle de velocidade do rolo de saída e do rolo press-roller (socador).
Inversores de freqüência reservasO CCM da Usina Trapiche, dedicado à eletrificação da moenda, é divido hoje em quatro cubículos, sendo um para cada terno (1, 2 e 5) e outro reserva. Cada cubículo possui um inversor de freqüência CFW09 - Weg para o press-roller (socador) e um CFW11 - Weg para o rolo de saída. O cubículo reserva está disponível no sistema para substituir algum cubículo que apresente falhas e/ou problemas. A fim de evitar que sejam realocados os cabos ligados ao LC700, de um cubículo para o outro, todos ficaram interligados, sendo que a troca de inversores de freqüência no sistema é feita via CLP/supervisório (Figura 17). O operador da moenda tem a opção de escolher qual cubículo utilizar. Essa condição minimiza muito o tempo gasto nessa fase de transição, proporcionando maior agilidade na troca, propiciando aumento da disponibilidade do sistema.
Figura 17: Tela de acionamentos dos motores dos ternos 1, 2 e 5, com opção para seleção do cubículo reserva.
Comissionamento e partida do sistemaO departamento de Instalação e Assistência Técnica da SMAR (DIAT) comissionou a planta com agilidade e simplicidade. Efetuou todos os testes da lógica de controle e simulou o sistema de acordo com os cálculos matemáticos definidos. Após o sucesso nos testes e simulações, partiu de maneira eficiente mostrando a eficácia do sistema implantado.
Perspectiva do clienteSegundo o gerente industrial da Usina Trapiche, Dr. Eduardo Mota Valença, com essas implementações a moenda melhorou seu controle, pois tornou possível atuar nas velocidades dos rolos independentemente, proporcionando uma melhor extração e uma menor umidade no bagaço. "A capacidade de moagem aumentou pelo fato de se eliminar a fase do acionamento, o que consome potência gerando atrito, ficando o acionamento direcionado para extração", finaliza.
ConclusõesPelos resultados obtidos após a partida do sistema na Usina Trapiche, constatamos que esse sistema possibilita uma solução confiável e flexível, sendo tecnicamente qualificada. A possibilidade de pré-definir qual a vazão de cana desejada de processo e os cálculos matemáticos que definem as rotações individuais para cada rolo proporcionam grande qualidade e rendimento na extração do caldo de cana para a fabricação de açúcar e etanol, além da característica desejada do bagaço para queima nas caldeiras, propiciando boa combustão.
Referências - Hugot, E. (1977), "Manual da Engenharia Açucareira", Editora Mestre Jou
- SMAR, Automação Industrial, O Livro Hart/4-20mA, 2005
- Indusoft, User's Guide and Technical Reference Manual for InduSoft Web Studio Version 6.1 SP6, 2009
- Revista Alcoolbras Edição 131, Conceito de automação de moenda adotado na Usina Trapiche com uso da velocidade linear, 2010, Dérek Stesse.
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Muito bom saber, muito obrigado
ResponderExcluirG Master Elétrica e Automação
Obrigado pelo conhecimento este é um otimo artigo!
ResponderExcluirAutomação Residencial Azure
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